Еволюція каталітичних нейтрализаторов

Еволюція каталітичних нейтрализаторов

Наприкінці 1960-х років, коли мегаполіси Америки і Банк Японії стали буквально  задихатися від смогу, ініціативу взяли  він урядові комісії. Саме законодавчі  акти щодо обов'язкової зниженні рівня токсичних вихлопів нових автомобілів змусили промисловців вдосконалити двигуни, і розробляти системи нейтрализации.

У 1970 року у Сполучені Штати було ухвалено Закон, відповідно до яким рівень токсичних вихлопів автомобілів 1975 модельного року мав був бути, у середньому наполовину менше, ніж в машин 1960 року: СП — на 87%, ЗІ — на 82% і NOх — на 24%.

Аналогічні вимоги були узаконені  Японії та в Европе.

Первым справою інженери кинулися удосконалювати системи харчування і запалювання. Однак було очевидно, що домогтися таке істотне поліпшення ситуації з токсичністю не залучаючи  додаткових пристроїв просто невозможно.

У 1975 року на американських машинах  з'явилися перші каталітичні нейтралізатори відпрацьованих газів — тоді ще двухкомпонентные, так званого окисного типу. Двухкомпонентными вони мали назву тому, що могли нейтралізувати лише 2 токсичних компонента — ЗІ і СП. Окислительными — оскільки які відбуваються реакції представляли з себе окислювання (тобто фактично дожигание) молекул ЗІ і СП із заснуванням вуглекислого газу СО2 та води Н2О.

На американських автомобілях 1975 року з'явилися транзисторні системи  запалювання із високим енергією іскри і свічі з мідним сердечником центрального електрода — це звело до мінімуму пропуски запалювання і наступні спалахи незгорілого палива на нейтрализаторе, що загрожують оплавленням керамики.

1977-го щодо нього додали " противоазотную " секцію, та ще кілька років  об'єднали всі у єдиному корпусі, давши неправильне назва " триступінчастий " нейтралізатор. Насправді не про щаблях, йдеться про трьох подавляемых класах шкідливих веществ.

До 1990 року нейтралізатор переїхав впритул до випускного коллектору, щоб швидше нагріватися до робочих  температур (300єС) – цим зменшити шкідливі викиди на стадії прогрева.

1995-го року фірма ”Эмитек”  розробила технологію підігріву каталізатора потужним електричним опором. Заснована у цьому принципі модель каталізатора ”6С” (чи ”Эмикэт”) було встановлено на ”БМВ- Альпина В12”.

І, нарешті, 2000 року з'явилася цеолитовая пастка вуглеводнів (СП), затримуюча їх під час пуску мотора і лише після нагріву до 220°С відгонить на " з'їдання " готовому на роботу катализатору.

 

 

 

 

 

 

 

Методи знезаражування відпрацьованих газів

 

Нейтралізатор – це невеликий прилад, призначений для спалювання токсичних відпрацьованих газів шляхом допалювання продуктів неповного згорання (СО, СН, SО) і розкладання окислів азоту на складові елементи – азот і кисень. Відомі рідинні, каталітичні, термічні та комбіновані нейтралізатори. 

 

Принцип дії рідинних нейтралізаторів ґрунтується на розчиненні або хімічній взаємодії токсичних компонентів відпрацьованих газів при пропусканні їх через рідину певного складу: воду, водний розчин сульфіту натрію, водний розчин двовуглекислої соди. 

 

На рис. 8.1 наведена схема  рідинного нейтралізатора, яка застосо-вується з двотактним дизельним двигуном. Відпрацьовані гази надходять в нейтралізатор  трубою 1 і через колектор 2 потрапляють в    бак 3, де всту-пають в реакцію з робочою рідиною. Очищені гази проходять через фільтр 4, сепаратор 5 і викидаються я атмосферу. При  випаровуванні рідину доливають в робочий бак з додаткового бака 6.

 

Рисунок 8.1 – Схема рідинного нейтралізатора: 
1 – впускна труба; 2 – колектор; 3 – робочий бак з рідиною; 4 – фільтр; 5 – сепаратор; 6 – додатковий бак 

 

Пропускання відпрацьованих газів через воду приводить до зменшення запаху, альдегіди поглинаються з ефективністю до 5%, а ефективність очищення від сажі досягає 60…80%. При цьому трохи зменшується вміст бенз(а)пирену у відпрацьованих газах. Температура газів після рідинного очищення складає 40...80°С, приблизно до цієї жтемпе-ратури нагрівається і робоча рідина. При зниженні температури процес очищення протікає інтенсивніше. 

 

Рідинні нейтралізатори не вимагають часу для виходу на робочий режим після пуску холодного двигуна. Недоліки рідинних нейтралізаторів: 
-  велика маса і габарити;  
- необхідність частої заміни робочого розчину; 
- неефективність відносно до СО;  
- мала ефективність (50%) відносно до NO2;  
- інтенсивне випаровування рідини. 
 

Проте використання рідинних нейтралізаторів в комбінованих системах очищення може бути раціональним, особливо для установок, відпрацьовані гази яких повинні мати низьку температуру при надход-женні в атмосферу. 

 

При розрахунку рідинного нейтралізатора визначають його основні 
розміри і необхідну кількість розчину для роботи на протязі певного 
часу. Нейтралізатор, який застосовується для дизельних автосамоскидів МАЗ, – це металева стальна конструкція прямокутної форми висотою     530 мм, шириною 608 мм з вмістом у робочому бакові 55 л розчину.  

 

Середні значення концентрацій шкідливих компонентів відпрацьованих газів до і після рідинного нейтралізатора, одержані на самоскиді МАЗ-5335,   наведені в табл. 8.1.

 
Таблиця 8.1 – Ефективність очищення газів рідинними нейтралізаторами

Речовина	Концентрація , частки, %		Ступінь очищення, %
	До іонізації	Після іонізації
CO	0,06	0,06	0
NO2	0,002	0,001	50
Альдегіди	0,0144	0,003	98
SO2	0,008	0	100

 

 

Каталітична нейтралізація  відпрацьованих газів ДВЗ на поверхні твердого каталізатора відбувається за рахунок хімічних перетворень (реакції  окислення чи відновлення), внаслідок  яких утворюються нешкідливі або мало шкідливі для навколишнього середовища і здоров’я людини з’єднання. 

 

Каталізатори на основі благородних металів (платина, паладій, рутеній, радій тощо) найбільш широко використовують для очищення відпрацьованих газів ДВЗ. Ці каталізатори характеризуються хорошою селективністю в реакціях нейтралізації токсичних компонентів, низькими температурами початку ефективної роботи, достатньою температуростійкістю, довговічністю і здатністю стійко працювати при високих швидкостях газового потоку. Основний недолік каталізаторів цього типу – їх висока вартість. 

 

Для нейтралізації відпрацьованих газів NOx, CO і CnHm застосовують двоступеневий каталітичний нейтралізатор (рис. 8.2). 

 

Відпрацьовані гази надходять  до відновлюваного каталізатора 3, на якому  нейтралізація окислів азоту відбувається за реакцією (для ДВЗ з іскровим запалюванням NOx на 99% складається з NO). 
; 
; 

 

Для забезпеченнявідновлювального середовища передпершимступенем нейтралізатора двигун повинен бути відрегульованим для роботи з α (кутом випередження запалювання суміші), близькимдо стехіометричного. При α > 1,05 активність каталізатора різко зменшується (середовище стає окислювальним).  

 

Після відновлювального каталізатора до відпрацьованих газів для створення окислювального середовища підводиться через патрубок 4 вторинне повітря. На окислювальному каталізаторі відбувається нейтра-лізація продуктів неповного згоранняСО іCnHm. Основними процесами є окислення окису вуглецюівуглеводнів: 
; 
; 

 

Рисунок 8.2 – Схема двокамерного каталітичного нейтралізатора: 
1 – впускний патрубок; 2 – корпус; 3 – каталізатор нейтралізації окислів азоту; 4 – патрубок для додаткового повітря; 5 – каталізатор окислення   CO і CnHm; 6 – випускний патрубок

 
Результати випробувань автомобіля з двоступеневим каталітичним нейтралізатором (в 1-му ступені – мідно-нікелевий  сплав, у 2-му – платина) наведені  в табл. 8.2.

 
Таблиця 8.2 – Ефективність роботи каталітичного двокамерного нейтралі-затора

Автомобіль	Концентрація токсичних  речовин
	NOx, мг/м3	CnHm, %	СO, мг/м3
Без нейтралізатора	1759	100	9100
З нейтралізатором	283	46	3500
Ефективність, %	83,9	54	61,5

 

 

Каталітичнінейтралізатори конструктивно складаються з  вхідного і вихідногопристроїв,корпусаі поміщеногов ньому реактора. Розробленікаталітичнінейтралізатори(рис. 8.З) для відпрацьованих газів ДВЗ транс-портнихзасобів з бензиновими і дизельними двигунами. 

 

Каталітичні нейтралізаторизнижують у відпрацьованих газах (ВГ) вміст СО на 70...90%,CnHm – на 50...85%. Основніпараметрикаталітичнихнейтралі-заторівдляавтобусаЛІАЗ-5256 такі: об’ємреактора2,5 дм3; довжина      553 мм; ширина307 мм; висота 243 мм; маса15 кг. 

 

  
Рисунок 8.3 – Каталітичний нейтралізатор  для бензинового ДВЗ: 
1 – вхідний патрубок; 2 – реактор; 3 – корпус; 4 – вихідний патрубок  

 

Схема встановлення каталітичного  нейтралізатора в системі ДВЗ наведена на рис. 8.4. Відпрацьовані гази від двигуна 1 надходять  випускною трубою 2 до каталітичного нейтралізатора 3, після чого викидаються в атмосферу. Для підтримання необхідної температури газів у нейтралізаторі використовується електронний блок 4, який регулює клапаном 5 подачу повітря через ресивер6 ізворотнийклапан7 з атмосфери в нейтралізатор. 

 

Рисунок 8.4 – Схема встановлення каталітичного нейтралізатора: 
1 – двигун; 2 – випускна труба; 3 – каталітичний нейтралізатор; 4 – елек-тронний блок; 5 – регулювальний клапан; 6 – ресивер;7 – зворотний клапан 

 

Термічні нейтралізатори, встановлені за випускним трубопроводом, здійснюють полум’яне допалювання окису вуглецю СО і перетворення його у вуглекислий газ СО2   а також спалювання неспалених в циліндрі вуглеводнів і альдегідів. Для інтенсифікації допалювання в камеру термореактора подається додаткове повітря. Реакція окислення проходить при температурі 500...600°С і зменшує наявність вуглеводнів приблизно в         2 рази, а окису вуглецю – в 2...З рази. 

 

Рисунок 8.5 – Схема термічного реактора: 
1 – жарова труба; 2 – повітряний прошарок; 3 – шар азбесту; 4 – трубопровід для повітря.  

 

На нових автомобілях  термореактори розміщують у випускній  системі двигуна з відповідними змінами в цій частині конструкції двигуна для нейтралізації картерних газів. 

 

Схема термічного реактора наведена на рис. 8.5. Це – жарова труба 1, в якій забезпечується збільшення часу перебування відпрацьованих газів шляхом неодноразової зміни їх руху. Ця труба повітряним прошарком 2 і шаром кераміки чи азбесту 3 ізольована від корпуса. Перед тим, як відпрацьовані гази попадають в термічний реактор, до них в певному співвідношенні підмішується повітря через трубопровід 4. 

 

Внаслідок хорошої теплоізоляції   а також виділення тепла на деяких режимах при окисленні СО і CnHm в жаровій трубі підтримується темпе-ратура, яка забезпечує ефективне окислення продуктів неповного згорання. 

 

Одна а різновидностей термічних реакторів – полум’яні допалювачі, в яких підтримується горіння шляхом подачі палива і повітря. При попа-данні відпрацьованих газів в такі допалювачі відбувається допалювання продуктів неповного згорання у факелі полум’я. 

 

На бензинових двигунах –  перспективні термічні реактори, які  пра- цюють на сильно збіднених паливно-повітряних сумішах. В цьому випадку виключається необхідність подачі додаткового повітря. Ефективним при цьому є використання також комбінованих нейтралізаторів термічного і каталітичного, при яких забезпечується зниження всіх основних шкідливих речовин бензинових двигунів. 

 

Для вловлювання сажі у відпрацьованих газах дизельних двигунів застосовується декілька конструкцій пристроїв, які використовують як принцип електростатичного очищення, так і метод фільтрації. 

 

Одним з кращих конструктивних рішень вважається установка фільтрів регенеративного типу. Фільтр (рис. 8.6, а) – це сотова конструкція а вічками прямокутного перерізу. Матеріал фільтра – пористий кордієрит – має достатню міцність, стійкість до агресивних хімічних речовин, опір до оплавлення і утворення тріщин при теплових впливах, а також термічну стабільність.  

 

  
Рисунок 8.6 – Схеми фільтрів-сажовловлювачів  з сотовою (а) і багатошаровою(б) насадками 
Фільтр (рис. 8.6, б), виконаний у вигляді декількох послідовнорозташованих пористих перегородок, має високу ефективність очищення. 

 

Накопичені у фільтрі  частинки необхідно видаляти переважно  термічним окисленням. Для цього відхідні гази нагрівають до 460°С ібільше, що приводить до запалення накопиченої сажі. 

 

Дані, одержані при проведенні експерименту з дизелем робочим  об’ємом 2,3 л, для визначення концентрації основних домішок у відпрацьованих газах дизеля наведені  в табл. 8.3.

 
Таблиця 8.3 – Ефективність очищення газів керамічним фільтром

Випуск відпрацьованих газів	Концентрація, г/м3
	вуглеводні, CnHm	CO	NO2	тверді частинки
Без фільтра	0,312	0,937	0,784	0,169
З чистим керамічним фільтром	0,237	0,931	0,700	0,031
Ефективність, %	24	6,4	10,7	81,6

 

 

Сажовловлювачі дизельних  ДВЗ  повинні забезпечувати ресурс 10000 км і більше при незначному збільшенні гідравлічного опору, що забезпечується періодичною (приблизно через 100 км пробігу) регенерацією фільтроелементу. Конструктивно фільтроелементи виконують у вигляді багатоканальних моноблоків, об’ємно-дротяних елементів чи у вигляді намотаних на перфоровану трубу склокерамічних ниток, які допускають регенерацію при 600°С.